25Hz轨道电路高频开关电源的研究

引言

在电气化铁道，采用二元二位相敏继电器检测线路上是否有机车通过。二元二位相敏继电器的工作原理是在其上加两组25Hz、相位差为90°的110V和220V交流电源时，二元二位相敏继电器吸合，否则断开。这就要求信号电源提供110V／25Hz和220V／25Hz交流电源，并保证110V／25Hz电源超前220V／25Hz电源90°相位。目前大多数25Hz电源都采用220V市电变频，变频器体积大、噪音大、精度差，两路相互切换可能造成供电中断。为提高此类电源的整体水平，针对中型车站轨道电源的特点，采用高频链技术组成25 Hz高频轨道电源，将两种输出整合在1个模块中，其中220V满载输出6．3 A，110V满载输出8．2A。为了保证电源工作的可靠性，采用“1+1”方式，两个模块处于工作／备份方式。其中只能有一个模块供电，先上电模块供电，另一模块的输出被封锁；当由于某种原因工作模块不能输出时，备用模块由电子开关切换到工作状态，两路输出电气互锁，具有智能化、体积小、噪声小等特点，提高了可靠性。

1 组成原理

本电源采用功率因数校正(PFC)技术、正弦脉冲调制(SPWM)技术、全桥功率逆变技术实现25Hz输出。整个模块构成如图1所示，各个部分的功能为：辅助电源为各个功能单元提供相应工作电压；PFC主电路和控制电路把交流电变为直流410V，使功率因数大于99 ，同时提高电源的抗干扰性能；410V作为220V和11OV逆变器主电路的输入电压；220 V和110V两路逆变器主电路均采用全桥结构，将控制电路送来的SPWM 控制信号经功率放大逆变后再解调、滤波后输出；逆变器控制电路包括SPWM 产生单元、基准三角波产生单元、基准电压产生单元、相位控制单元，主要产生SPWM 调制波；过压过流保护单元完成输出过压关机和输出过流或短路打嗝保护；主备切换控制单元提供动态主从快速互锁，保证两模块同时只能有一个输出；监控单元主要完成输出电压、相位、互锁状态、主备状态等模拟量和开关量检测，并与上位机通信。

2 关键技术

2．1SPWM控制技术

SPWM波的获得是将相位差90°的三角波分别写入两片EPROM 中，使110V／25Hz电源与220V／25Hz电源控制基准正弦波信号相差90°，从而达到锁相要求。每路SPWM波电路由分频器、计数器、门电路、时序逻辑电路等组成，EPROM的地址在“000H”和“800H”之间循环变化。EPROM以51．2kHz的频率周期性输出存储在其中的三角波数据，经过D／A转化后与25Hz输出电压反馈信号比较，产生频率为51．2kHz的SPWM波。SPWM波的产生过程如下：设输出正弦波反馈信号为Vc，其频率为25Hz；三角波为载波，三角波频率fc一51．2kHz， 远大于25Hz，其幅值在经过D／A转换后不变，fc决定了驱动波形的频率。由于采用全桥功率逆变技术，同一个桥臂不能同导通。图2中正SPWM波经过变压器隔离后驱动一个桥臂，负SPWM波经过变压器隔离后驱动另一个桥臂。其SPWM波的产生和波形如图2所示，图中波形为奇函数，且具半波对称性质。

设每半个正弦波周期内的脉冲个数为P，第m个脉冲宽度为θm，输入电压幅值为U (110V 直流电压)，输出电压有效值为Uorms，则m个脉冲对应输出电压有效值为

其傅立叶级数展开为

式中， 一1，3，5⋯ 为奇数，系数an和bn由脉冲宽度为θ、起始角为a的正脉冲和对应的负脉冲起始角π+a决定。

各系数可按下列公式求出

此方法消除了所有2P一1次谐波，此外，采用SPWM技术，滤波器的体积变小，也减小了电源模块体积。

2．2 轨道电路牵引电流干扰抑制

对于电力牵引区段，钢轨不仅要传递轨道占用信息，而且还要通过牵引电流。虽然牵引电流通过扼流变压器引入轨道，对轨道信号的干扰已大为降低，但牵引电流的不平衡仍可能导致轨道继电器的误动作。另外，不平衡牵引电流通过钢轨产生的不平衡电压通过扼流变压器、发送变压器的逆向升压作用，也会在电源输出端造成高压干扰，烧毁电源。对电化干扰的抑制，是新型信号电源的又一技术关键。为了抑制电化干扰，通过对开关管参数放宽、增加输出瞬态抑制器、输出端50Hz陷波器等手段，达到了预定效果。

2．3 输入防雷和输出防雷

25Hz信号电源负载多种多样，位置分散，线路又长，极易遭受雷击。由于新型信号电源采用了半导体器件，抗雷击能力较差，所以其防雷要求很高。不但输入要采取防雷措施，对输出防雷也应予以足够重视。为了保护电源模块，整个系统采用了输入输出分别防雷的措施。对输入采用了输入机房防雷、输入系统柜防雷、模块防雷三级输入防雷措施。在系统市电输入端，采用C、D两级防雷保护，在模块内也采取了防雷措施。由于系统采用两路单相市电供电，并能自动切换，所以C级保护采用两组“1+1”防雷器，分别并联在自动切换装置之前的两路市电上。D级保护采用装在机柜上的D级防雷盒，装在模块之前，并与C级防雷器保持2．5m的电缆距离。由于用于单相保护，D级防雷盒的L1、L2、L3端子应并接到电源的相线L上；另外，切换后的交流进线共有两路，其零线不能共用，因此必须采用两个D级防雷盒，如图3所示。C级防雷器有故障告警功能，不管是防雷器损坏，还是防雷空气开关分断，均视为防雷故障。最后在模块上采取了防雷措施。其输入防雷如图3所示。对输出同样采取了3级防雷措施。系统输出通过防雷器件选择，防雷拓扑方案优化、系统接地几个方面进行综合分析，结合1+1备份技术，实现安全要求。

2．4 稳定可靠的监控系统

现代电源系统在要求高可靠性的同时，也要求向无人值守自动化方向发展。本电源模块中配备了监控单元，通过系统监控可以实现遥测、遥控、遥信的功能。电源监控单元提供RS232或RS485等通讯方式给系统监控。模块监控单元的硬件框图如图4，其主要的功能为

采集功能：硬件系统提供多通道的模拟量和开关量的采集功能，输入范围满足：-5 V～+5 V范围内的直流电压信号，交流信号峰峰值在-7 V～+7 V之间，开关量为标准的正逻辑电平。

通信功能：通过广播方式完成与系统监控的通信，支持IEEE485或RS232方式，通信速率支持2400 b／s、4 800b／s、9600 b／s(缺省；采用11位通信方式：1位起始位、8位数据、1位数据／地址位、1位停止位)。

告警功能：可控制故障灯和蜂鸣器进行相应声光提示。

掉电保护功能：配电监控在硬件设计上采用了掉电保护芯片EEPROM，当接收监控单元的下发命令后，先将其保存到EEPROM 中，即使停电，数据也不会丢失。

抗干扰能力：所有开关量采集都经过线性光耦隔离；模拟量都经过滤波和整形电路；模数之间采用全隔离方式。

硬件电路具有“看门狗”功能：硬件与软件都具有监视功能，以保证系统受到强干扰而造成死机或混乱时能自动恢复。

3 结论

该电源模块已经在电气化轨道区段的200多个车站运用，具有安全、稳定、可靠、便于维护的特点。电源的信号精度高，稳定性好，频率变化率为±0.1%，110V输出相位超前220V输出85°～93°，具有完善的自检功能，这些都为轨道信号设备、自动停车设备及运行记录装置提供了可靠保障。